エネルギー
バッテリーは誰が必要？自己発電センサーがシステムをシンプルにし、強化できる
増大するエネルギー需要とそれを満たす方法は、世界が直面する最も差し迫った課題の一つです。生産量だけでなく、生産の性質も持続可能で炭素排出がないことが求められます。
世界中の科学者、研究者、技術者、機関、政府組織は、このエネルギー課題に対する効率的な解決策を考案しようと尽力しています。多くの成功例が状況の改善に寄与しています。
これらすべての中で、MITの研究者グループが環境からエネルギーを収集できるバッテリー不要、自己発電センサーを考案しました。この技術が何を意味し、なぜ重要なイノベーションなのかを深く掘り下げて理解しましょう。
MIT研究者によるバッテリー不要・自己発電センサー
これらのセンサーは充電式または交換可能なバッテリーを必要としません。また配線も不要で、アクセスが困難な場所への設置が容易です。本質的に、これらのセンサーは温度に敏感なデバイスで、空中のワイヤ周辺の磁場からエネルギーを取得して動作します。
これらのセンサーの展開は、電力を供給するワイヤにクリップで取り付けるだけで簡単です。一度取り付ければ、センサーはエネルギーを収集・蓄積でき、モーターの温度を監視し、機械の消費電力や稼働状況を長期間にわたってデータ取得できます。
このイノベーションを強調した研究の主要著者であるダニエレ・モナグレによれば、IEEE Xploreで公開された論文として
「実用的で有用なバッテリーレスセンサーの例を示し、実際に実現可能なソリューションであることを証明しました。これにより、他の研究者が我々のフレームワークを活用し、センサー設計を開始できることを期待しています。」
このイノベーションとその有用性について語る際、米海軍兵学校の兵器・制御工学准教授であるジョン・ドナルは次のように述べました。
「このようなエネルギーハーベスティングシステムにより、船舶に多種多様な診断センサーを後付けでき、メンテナンス全体のコストを大幅に削減できる可能性があります。」
研究者は、このイノベーションがエネルギーハーベスティング分野にとって価値ある付加価値であると考えています。なぜなら、ハーベスタ源とセンサー負荷の間の効率的な電子エネルギー管理インターフェースとして機能するからです。
システムは開発テスト中に、離散ロジックを用いた成功したコールドスタート機能を示し、特定のハーベスタ電圧負荷条件下で平均電力収集が約400％に向上しました。ヒステリシス制御方式で、最大50メガワットのセンサー負荷に対応できました。
本研究は海軍研究局とグレイジャー財団の支援を一部受けました。根本的に、これらのデバイスの監視・センシング機能は船舶分野で多くの応用が期待されます。
例えば、船舶上で電力にアクセスし監視することは、コンセント数が限られ、接続できる機器の種類に厳しい制限があるため、実施が困難です。
船舶はポンプの振動測定やベアリング・マウントの健康状態をリアルタイムで把握できる大きな利点がありますが、レトロフィットセンサーに電力を供給するには投資の大きいインフラが必要です。自己発電センサーシステムにより、船舶上でさまざまな診断センサーを後付けでき、メンテナンスコストを大幅に削減できます。
さらに、これらのセンサーが行うエネルギーハーベスティングは磁場だけに依存しません。振動や太陽光からもエネルギーを収集でき、工場、倉庫、商業空間向けに、非常に低コストな設置・保守で包括的なセンサーネットワークを構築する能力を提供します。
これらのエネルギーハーベスティングや磁場・音波・太陽光からのエネルギー取得に関する議論は、圧電材料に詳しい人々に思い出させるかもしれませんが、違いがあります。
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自己発電センサーは圧電材料とは異なる
圧電材料は応力が加わると電圧を生成します。電力生成の要因は曲げ、伸び、または振動です。これらの発電方法は波力装置を通じて活用可能です。
圧電技術は海洋発電技術としても利用されています。しかし、ここで議論する自己発電センサーシステムとは異なり、圧電はシステムの一部に過ぎません。
科学論文は、自己発電センサーのエネルギー管理設計を詳細に示し、3つの大きな構成要素があることを示しています。ハーベスタ源、コアエネルギー管理モジュール、そしてセンサーノードです。
圧電はハーベスタ源の一つです。その他にも、太陽電池、CT MEH源、熱電やトリボ電源などのハーベスタ源が考えられます。
要するに、自己発電センサーは単なる圧電材料や圧電現象以上のものであり、さまざまな応用分野があります。
次のセクションでは、これらのセンサーを製造または利用している企業を紹介します。
#1. EnOcean：安全な建物向け自己発電センサー
EnOceanのワイヤレス自己発電センサーは、太陽電池を利用して環境光からエネルギーを取得します。さらに、最小の温度差からもエネルギーを抽出できます。エネルギーハーベスティングに加えて、生データを収集し、スマートビルディングのエネルギーダイナミクスの分析と可視化を支援します。温度に加えて、湿度、光、建物内の空間や特定の部屋の使用状況に関する情報も効率的に取得します。
EnOceanは、エネルギーハーベスティングワイヤレスセンサーモジュール、熱エネルギーハーベスタ用超低電力DC/DCコンバータ、エネルギーハーベスティング磁気接触送信モジュール、ワイヤレス温度センサーモジュール、湿度センサーモジュールなど、多様な自己発電センサー製品を取り揃えています。
EnOceanは、自己発電センサー群の主力製品としてSTM 550を位置付けています。これはエネルギーハーベスティングワイヤレスセンサーで、デジタル化された建物で多くの用途があります。磁気接触、加速度、湿度、照度、温度の5つのセンサーを組み合わせたマルチセンサー製品です。
このセンサーは内部に統合された太陽電池を備えており、すべての動作エネルギー要件を満たします。太陽光がない場合でも、内部に蓄えたハーベストエネルギーによりシステムは機能し続けます。最後に、NFCインターフェースによりNFCリーダー、スマートフォン、タブレットから簡単に設定・アクセスできます。
EnOceanが公開した内部文書によれば、同社は2021会計年度に2100万米ドル、2022会計年度に2320万米ドルの収益を記録しており、取得資産からの収益は含まれていません。2023会計年度の収益予測は3500万米ドルです。
同社は、Eltako Electronics、Wellington Partners、SET Ventures、Siemens、Emerald Technology Ventures などの戦略的・金融的投資家からの強力なパイプラインも示しています。
#2. ONiO：バッテリーレスな未来に向けて
自己発電の未来の要求に向けて熱心に取り組んでいるもう一つの企業がONiOです。
同社の主力製品であるONiO.zeroは、バッテリーに代わる小型ワイヤレスマイクロコントローラです。必要な電気回路を備えた極小のシリコンチップに実装され、最小限のエネルギーを蓄積できます。
このナノサイズのシステムはプログラム実行、外部センサー接続、ワイヤレス通信が可能です。環境の再生可能エネルギーを利用してマイクロエレクトロニクスに電力を供給し、ユーザーはRF、太陽光、熱電エネルギーを最大限に活用できる構成を実現します。
ONiO.Zeroは、バッテリーレスリモコンを含む多くのマイクロコントローラデバイスに電力を供給します。リモコンの動作では、ONiO.zeroは低消費電力マイクロフォン接続用の低電力PDMインターフェースを実装しています。このインターフェースは300kHzから12MHzまでのサンプリング速度をサポートし、さらに分数ビットレートにも対応します。さらに、静電容量式タッチエンジンの統合により、リモコンは内部オシレータを必要とせず、完全に自己クロックで動作します。この設計により、極めて低電力で動作し、システムの他部分を非同期にウェイクアップできます。また、超低電力オシレータは、64個のボタンのいずれかのキー押下でCPUを起動できるよう設計されています。
2023年7月、ONiOはバッテリーレスの電子棚札を発表しました。これらは100％自己発電で、バッテリーは一切不要です。従来の棚札はそれぞれ2個のコイン電池を使用し、平均的なコンビニエンスストアでは約6,000枚の棚札が使用され、結果として1店舗で約12,000個のコイン電池が海や埋立地に廃棄されます。
ONiOの自己発電バッテリーレス電子棚札は、何百万ものバッテリーから生じる有害廃棄物から地球を守ることができます。
同社は2017年、2018年、2021年にそれぞれプレシード、シード、ブリッジラウンドの資金調達を完了し、2024年までにシリーズAを完了する見込みです。最新の資金データによれば、2020年5月に欧州イノベーション委員会から約250万ユーロの助成金を獲得しています。
#3. Clarity Movement Co.：空気センシング技術を活用しクリーンエア運動をリード
米国カリフォルニア州バークレーに拠点を置くClarity Movement Co.は、Clarity Node-Sという名称の主要な粒子状物質および二酸化窒素モニターを提供しています。これはFCC/CE認証を取得した自己発電ソリューションで、根底には太陽エネルギーハーベスティングの原理で動作するIoT空気品質モニタリングシステムがあります。
また、あらゆる規模のプロジェクトに合わせて調整可能な最先端のデータ管理機能を備えています。PM2.5と二酸化窒素を測定する空気品質モニターハードウェアとしてだけでなく、風、ブラックカーボン、オゾンを測定できるプラットフォームとしても機能します。ユーザーフレンドリーなダッシュボードは、空気品質測定値と空気ネットワークのステータスデータを最も分かりやすく提供します。
Clarity Movementはこれまでに合計5回の資金調達ラウンドを実施しており、最新のシリーズAは2022年7月24日に行われました。このラウンドでは9600万米ドルの資金が調達されたと報告されています。
バッテリーレス・自己発電センサーソリューションを製造する企業以外にも、その実現可能性を検討し、開発を進めている応用分野があります。
ヘルスケアからインテリジェントビルディングシステムへ：自己発電センサーの活用
センサーはヘルスケア、ウェアラブル産業、個人用エレクトロニクス、自動車、建物、食品モニタリング、ロボティクス、環境モニタリングなどで活用されています。自己発電センサーにより、センサーの利点がさらに強調されています。
現在、自己発電センシングシステムへの機械学習技術の統合が進んでいます。専門家は、自己発電センサーにML機能を付加することで、IoTの大規模展開への道が開かれると考えています。
自己発電ワイヤレス光伝送を用いた無線圧力検出に関する研究が成功しています。科学界では、3Dプリントされたエラストマー金属コアトリボエレクトリックリストバンド、パーキンソン病用振戦センサー、スマートソックス、インテリジェントドライバー支援システムなど、自己発電センサーを活用する技術が開発されています。
ヘルスケア・バイオ医療分野では、人間の動作から放出される生体力学エネルギーを検出できるML技術を組み合わせたハイブリッドセンサーが登場しています。これらのセンサーは脚のリハビリデバイスに電力を供給し、皮膚上での生体力学的動作や多機能圧力センシング、ヒューマンジェスチャー認識ソリューションを支援します。
バッテリー不要・自己発電の未来への道筋
自己発電・バッテリーレスセンサーが大きく貢献できる分野の一つは、グローバル規模でのIoT展開です。推定では、潜在的な大規模IoT展開には、1日あたり10億個のバッテリーの置き換えが必要とされています。エネルギーハーベスティング技術は確実に役立つでしょう。
しかし、自己発電センサーの未来が真の可能性を実現するには、いくつかのボトルネックを解決する必要があります。エレクトロニクス分野は、エネルギーハーベスティング技術が生み出す小規模な電力生成方式を効率的に受け入れ、活用できるようになる必要があります。
世界は、低いアクティブ処理電力で効率的に動作できる電子デバイスの開発がさらに進むことを期待しています。接触電気分極が生成する表面電荷を増加させ、日常の電子機器を駆動できる十分なエネルギーを収集する必要があります。人間の動作検出への成功的な応用には、利用可能なデータの効果的な管理も重要な役割を果たします。
これらの課題が十分に解決されれば、自己発電センサーは日常的に使用するシステムを大幅にシンプル化・強化できるでしょう。最小の炭素フットプリントで持続可能なエネルギーへの道を切り開くことになります。
